Diamant oder Aluminiumnitrid: TSMC will gestapelte Chips besser kühlen
Um gestapelte Halbleiter besser zu kühlen, forscht TSMC an der Integration von wärmeleitenden Materialien wie Diamant oder Aluminiumnitrid. Die Ergebnisse sind vielversprechend, aber bei der Fertigung gibt es noch Probleme.
Mit AMDs X3D-Prozessoren haben übereinander gestapelte Chips im PC-Segment den Massenmarkt erreicht, und nach dem Chiplet-Ansatz soll auch diese Technik sich in der Zukunft weiter ausbreiten. Das Stapeln bringt dabei zwar Vorteile beim Platzverbrauch und der Kommunikationsdistanz, es gibt aber auch Probleme. Dazu zählt insbesondere auch die Abwärme, denn diese kann bei einem solchen Aufbau schlechter abtransportiert werden. TSMC forscht deshalb bereits an entsprechenden Lösungen. Die Materialien Diamant und Aluminiumnitrid sind dabei offenbar vielversprechend.
Lösungen mit Problemen
Beide Stoffe könnten in Zukunft als Isolationsmaterial für die Verbindungsleitungen zwischen den Chips verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Problematisch bei der Auslegung ist dabei, dass viele gute Wärmeleiter auch elektrisch leitend sind, was für diesen Einsatzzweck aber keinesfalls sein darf. Aktuell setzt man deshalb auf von den Schaltungen getrennte Thermokanäle - also Kupfereinlagerungen, die die Wärme abtransportieren, aber zugleich Verdrahtungsfläche kosten. Zudem sorgen die zusätzlichen Metallpfade für unerwünschte Kapazitäten, die bei der Auslegung von Chips schon jetzt problematisch sind.
Quelle: TSMC
Aluminiumnitrid leitet Wärme nur in großen Kristallen gut. Je nach Prozess und Schichtdicke kann es hier deutliche Unterschiede geben. TSMC arbeitet deshalb daran, in der Praxis näher an die Ideallinie ohne Defekte (Rot) heranzukommen.
Der Einsatz von Aluminiumnitrid und Diamant zwischen den Leitungen könnte hier helfen. Aluminiumnitrid könnte dabei über Physical Vapour Deposition, einen in der Halbleiterfertigung üblichen Prozess, eingebracht werden. Die maximal erreichbare Wärmeleitfähigkeit ist mit 320 W/mK dabei zwar schon fast im Bereich von Kupfer, in dünnen Schichten wie in einem Halbleiter sinkt dieser Wert aber deutlich. Bessere Ergebnisse verspricht sich das Unternehmen von Diamant mit im Bestfall über 2.200 W/mK. Bislang ist hier aber die Herstellung ein Problem. Diese benötigt zu hohe Temperaturen, die wiederum den Chip zerstören könnten. TSMC soll aber über einen CVD-Prozess (Chemical Vapour Deposition) verfügen, mit dem Diamantwachstum im Chip bereits gelingt.
Wirklich ausgereift ist der Prozess aber nicht, denn die einzelnen Kristallabschnitte wachsen noch zu uneben, und aufgrund der Härte des Materials können aufgewachsene Schichten kaum eingeebnet werden. Deshalb ist, zumindest mit dem aktuellen Verfahren, nur in bestimmten Bereichen ein entsprechender Einsatz möglich.
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Trotzdem hält TSMC neben Aluminiumnitrid auch Diamant für einen vielversprechenden Kandidaten, um in Zukunft die Wärmeableitung in gestapelten Chips zu optimieren. Simulationen zeigen dabei eine mögliche Temperaturreduktion um mehrere Kelvin, wenn zwischen den beiden einzelnen Halbleitern ein wesentlich leitfähigeres Material zum Einsatz kommt. Das würde wiederum für mehr Spielraum sorgen, den die Chipschmieden etwa für höhere Taktraten nutzen könnten. Bis es so weit ist, dürfte es aber noch ein weiter Weg sein. Einen konkreten Zeitplan für den Einsatz der neuen Materialien hat TSMC bislang noch nicht verraten.
Quelle: TSMC (IEDM 2023)
Allzu viele Details hatte TSMC da leider nicht parat.
Zusammengefasst:
Auf dem Substrat werden Nanopartikel verteilt, an denen das Wachstum beginnt. Dazu nutzt TSMC die Chemische Gasphasenabscheidung mit Mikrowellen-Plasmaunterstützung. Durch das Plasma werden Radikale erzeugt, die das Methan aufspalten, wodurch wiederum die Kristallbildung ermöglicht wird.
Problematisch ist dabei unter anderem, dass die einzelnen Kristalle möglichst groß sein sollen - denn an den Kristallgrenzen wird der Wärmeübergang erschwert. Große Kristalle sorgen aber noch für eine unebene und damit nur bedingt brauchbare Oberfläche. Und offenbar wachsen die Kristalle gern nur in eine Richtung, sodass der Wärmeübergang je nach Ausbreitungsrichtung weniger Optimal ist, da mehr oder weniger Übergänge auftreten können.
Wie wird das ganze technisch gelöst?
Normal benötigt es ja ein karbonhaltiges Gas das auf dem künstlichen Diamanten Saat unter einem Vakuum auskristallisiert. Das ist eine Form wie man Kunstdiamanten herstellt - aber wie wird das auf eine Fläche bezogen aufgebracht?
Wird die Fläche mit Diamantenbestandteilen im Nanobereich beschichtet und dann kristallisiert es auf einer Flächenebene aus? Wie läuft dieser Vorgang kontrolliert ab? Es muss ja eine möglichst homogene Oberfläche entstehen.
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